DE3820042A1 - Verdraengerpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Verdrängerpumpe, bei der während des Druckhubes die Verdrängung eines mechanisch angetriebe­ nen, in einem Zylinder verschiebbaren Kolbens hydraulisch mit Hilfe einer Flüssigkeit auf einen flexiblen, hermetisch dicht eingespannten Verdränger übertragen wird.

Bei den bekannten Pumpen mit derartigen Antrieben der Ver­ dränger über die sogenannten Hydraulikvorlagen dient die Hydraulikvorlage nicht nur zur Übertragung der Verdrängung während des Druckhubes sondern auch während des Saughubes. Während des Druckhubes ist dabei die Hydraulikvorlage einem Überdruck ausgesetzt und während des Saughubes einem Unter­ druck. Infolge unvermeidlicher Leckagen - allein schon zwischen Kolben und Zylinder - tritt während des Druckhubes in der Hydraulikvorlage ein Verlust an Flüssigkeit auf während des Saughubes ein Gewinn. Je nachdem ob Verluste oder Gewinne überwiegen, entsteht in der Hydraulikvorlage ein Mangel bzw. ein Überfluß an Hydraulikflüssigkeit.

Sowohl ein über ein bestimmtes durch die Konstruktion gege­ benes Maß hinausgehender Mangel als auch Überfluß an Hy­ draulikflüssigkeit sind schädlich. Bei schädlichem Mangel legt sich der flexible Verdränger noch während des Saughubes an seinen rückwärtigen Anschlag an, worauf bei Fortsetzung des Kolbensaughubes ein so großer Unterdruck in der Hydrau­ likflüssigkeit entsteht, daß darin gelöste Gase freigesetzt werden und sich Gasblasen bilden. Die Hydraulikvorlage wird dadurch elastisch und kann ihre Aufgabe nicht mehr ordnungsgemäß erfüllen.

Bei schädlichem Überfluß an Hydraulikflüssigkeit wird der Verdränger überdehnt oder er kommt an Begrenzungen in der Förderkammer zur Anlage. Als Folge davon können Gewaltbruch und/oder Beschädigung des Verdrängers durch im Fördermedium enthaltene Festkörper auftreten.

Zur Verhinderung von schädlichem Mangel einerseits und schädlichem Überfluß an Hydraulikflüssigkeit andererseits sind aufwendige und komplizierte Ventilsysteme für die Hydrau­ likflüssigkeit entwickelt worden, die die Pumpen verteuern und den Nachteil haben, daß sie sich bei Verkleinerung nicht beliebig verkleinern lassen, wenn sie genügend betriebssicher bleiben sollen.

Bei Anlage des Verdrängers an seinem rückwärtigen Anschlag infolge von Mangel an Hydralikflüssigkeit soll ein Aus­ gleichventil geöffnet werden, durch das bei Fortsetzung des Kolbensaughubes Hydraulikflüssigkeit aus einem Vorrat in die Hydraulikvorlage nachgesaugt wird. Dabei soll sich ein derartiges Angleichventil auch bei großem Saugunterdruck nicht selbsttätig noch während des Verdrängersaughubes öffnen. Dann nämlich würde unkontrolliert soviel Hydraulikflüssigkeit in die Vorlage nachgesaugt werden, daß am Ende des Saughubes ein schädlicher Überfluß vorhanden ist.

Durch die DE-OS 28 43 054 ist eine Einrichtung bekannt ge­ worden, die ein Öffnen infolge von Saugunterdruck verhindert. In der Patentanmeldung P 37 33 320.8 ist eine Ventileinrichtung beschrieben, bei der ein federbelastetes Ausgleichventil bei Unterschreitung eines bestimmen Saugunterdruckes zwar öffnen und Hydraulikflüssigkeit in die Vorlage einströmen kann, der dadurch entstehende Überfluß wird aber dann bis zum Errei­ chen der rückwärtigen Endlage durch mechanische Rückführung des Verdrängers bei zwangsweise offengehaltenem Ausgleichven­ til wieder beseitigt.

Durch die vorliegende Erfindung sollen diese Nachteile vermieden und insbesondere die Aufgabe gelöst werden, eine einfach aufgebaute Verdrängerpumpe mit flexiblem während des Druckhubes über eine Hydraulikvorlage betätigtem Verdränger zu schaffen, die aufgrund ihres einfachen Aufbaues nicht nur konstengünstig ist, sondern sich auch unter Beibehaltung einer hohen Betriebssicherheit leichter als die bisher bekann­ ten Pumpen mit Hydraulikvorlage miniaturisieren läßt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Verdrängerpumpe der eingangs genannten Art vorgeschlagen, die Rückführung des flexiblien Verdrängers und des Hydraulikkolbens beim Saug­ hub in die obere Umkehrlage allein durch eine am Verdränger angreifende Kraft zu bewirken. Die Rückführung von Verdrän­ ger und Hydraulikkolben soll beim Saughub nicht durch eine vom Hydraulikkolben ausgehende Kraft erfolgen. Diese Kraft soll also primär auf den Verdränger in Richtung zur oberen Umkehrlage wirken. Der Verdränger wiederum soll über die Hydraulikflüssigkeit den Hydraulikkolben in die obere Um­ kehrlage verschieben. Die obere Umkehrlage des Hydraulikkol­ bens kann wie bei bekannten Pumpenbauarten durch einen An­ schlag oder durch den Antriebsmechanismus für den Hydraulikkolben definiert sein. Die entsprechende Umkehrlage des flexiblen Verdrängers soll mechanisch durch den Hydraulik­ kolben definiert sein. Bei Beginn des Druckhubes soll sich der flexible Verdränger in Bewegungsrichtung vom Hydraulik­ kolben trennen und die Kraftübertragung vom Hydraulikkolben auf den flexiblen Verdränger soll danach über die einge­ schlossene Hydraulikflüssigkeit erfolgen.

Wenn Hydraulikkolben und flexibler Verdränger sich relativ zueinander wie voranstehend gefordert bewegen sollen, dann muß der wirksame Querschnitt des Hydraulikkolben größer sein als der wirksame Querschnitt des flexiblen Verdrängers. Ferner muß das in der oberen Umkehrlage am Hydraulikkolben zur Anlage kommende Teil des flexiblen Verdrängers einen zur Volumenverdrängung proportionalen Weg in Bewegungsrichtung des Hydraulikkolbens zurücklegen. Ein derartiger Verdränger wird in vorteilhafter Weise durch einen Balg gebildet, bei dessen Innenbeaufschlagung mit Hydraulikflüssigkeit eine axiale Verlängerung erfolgt.

Während des Saughubes soll auf keinen Fall durch nicht vom Verdränger ausgehende Kräfte - z.B. durch vom Antriebs­ mechanismus ausgehende Kräfte - bewirkt werden können, daß der Hydraulikkolben sich mit größerer Geschwindigkeit in die obere Umkehrlage bewegt als durch die Geschwindigkeit des flexiblen Verdrängers und durch das Flächenverhältnis Verdränger/Hydraulikkolben vorgegeben. Dann nämlich würde Unterdruck in der zwischen Hydraulik und flexiblem Verdränger eingeschlossenen Hydraulikflüssigkeit entstehen mit der Gefahr der Bildung eines Überflusses, dessen Verhinderung ja gerade eines der Ziele der Erfindung ist. Bei Unterdruck würde sich wie bereits erwähnt die Hydraulikflüssigkeits­ menge in der Hydraulikvorlage infolge von Leckagen oder infolge eines bei Unterdruck öffnenden Ausgleichventils unzulässig vergrößern.

Kommt beim Saughub dagegen der flexible Verdränger infolge von Flüssigkeitsmangel in der Hydraulikvorlage bereits vor Erreichen der oberen Umkehrlage am Hydraulikkolben mechanisch zu Anlage, dann hat der Verdränger damit relativ zum Hy­ draulikkolben bereits seine der oberen Umkehrlage entsprechende endgültige Lage erreicht.

Der weitere Saughub bis zur oberen Umkehrlage wird dann von Verdränger und Hydraulikkolben mit gleicher Geschwindigkeit ausgeführt. Der Hydraulikkolben verschiebt dabei wegen seines größeren wirksamen Querschnittes mehr Volumen als der flexible Verdränger. Durch den dadurch in der Hydraulikvorlage entstehenden Unterdruck soll sich ein eine Verbindung zwischen Hydraulikvorlage und Hydraulikflüssigkeitsvorrat herstellendes Ventil öffnen.

Bis zur Erreichung der oberen Umkehrlage wird die Flüssigkeits­ menge in der Hydraulikvorlage durch Nachsaugen von Hydrau­ likflüssigkeit wieder bis zur Sollmenge ergänzt.

Dieses Ausgleichventil soll durch eine Vorrichtung zwangs­ weise offen gehalten werden können, um beim Zusammenbau der Pumpe eine problemlose luftblasenfreie Erstbefüllung der Hydraulikvorlage mit Hydraulikflüssigkeit zu erreichen und einen schädlichen Überfluß zu verhindern. Dazu soll in den flexiblen Verdränger und in das Gehäuse vor der Montage des Hydraulikkolbens zuerst Hydraulikflüssigkeit eingefüllt werden. Damit der Kolben dann bis zum Anliegen gegen den flexiblen Verdränger in das Gehäuse eingeführt werden kann, muß die beim Einführen zu verdrängende Hydraulikflüssigkeit entweichen können. Hierzu muß ein Verbindungskanal zwischen Hydraulikvorlage und Vorratsraum geöffnet werden können, was am besten durch zwangsweises Offenhalten des andernfalls durch die Strömung der Hydraulikflüssigkeit schließenden Ausgleich­ ventils vorgenommen werden kann.

An Hand der beiliegenden Zeichnung soll die Erfindung nach­ folgend noch weiter erläutert werden. Auf der Zeichnung zeigen in schematischer Darstellung

Fig. 1 die erfindungsgemäße Verdrängerpumpe in der oberen und

Fig. 2 in der unteren Umkehrlage des Systems.

Mit 11 ist ein in einem Gehäuse möglichst leckagefrei ver­ schiebbarer Hydraulikkolben bezeichnet, dessen Aufwärtshub in der oberen Umkehrlage begrenzt ist beispielsweise durch einen an dem Kolben angebrachten Bund 18, der am Gehäuse 2 zur Anlage kommt. Natürlich kann die Begrenzung des Auf­ wärtshubes auch durch den Antriebsmechanismus begrenzt werden, z. B. durch eine Exzenterwelle 19. 13 ist ein aus einem Balg gebildeter flexibler Verdränger in hängender Anordnung, der an seinem oberen Ende hermetisch dicht mit dem Gehäuse 12 verbunden ist. Der wirksame Querschnitt A 2 des Balges ist kleiner als der wirksame Querschnitt A 1 des Kolbens 11. Mit dem unteren in axialer Richtung beweglichen Ende des Balges verbunden ist ein im Innern des Balges untergebrachter und zum Kolben 11 hin weisender Zapfen 14. Zwischen einem an diesem Zapfen angebrachten Bund 16 und dem Gehäuse 12 ist eine Druckfeder 15 so eingspannt, daß am unteren Balgende eine dem Druckhub (Abwärtshub) entgegengerichtete Kraft vorliegt. Natürlich kann eine derartige Kraft auch durch eine im Förderraum 23 zwischen unterem Balgende und Gehäuse 12 eingespannte Druckfeder 15 a realisiert werden. Unter der Wirkung der Kraft der Feder 15 bzw. 15 a stützt sich in der oberen Umkehrlage (Fig. 1) der Zapfen 14 mechanisch auf dem Kolben 11 ab und letzterer über den Bund 18 am Gehäuse 12 bzw. am Antriebsmechanismus 19. Der von der Innenfläche des Balges 13, vom Gehäuse 12 und vom Kolben 11 umgrenzte Raum 20 ist mit Hydraulikflüssigkeit angefüllt und wird als Hydraulikvorlage bezeichnet. An der höchsten Stelle in der Hydraulikvorlage, zweckmäßigerweise im Hydraulikkolben, befindet sich ein Ventil 21 mit einem Schließkörper 22, der bei Unterdruck in der Hydrraulikvorlage 20 von seinem Sitz abhebt und eine Verbindung zu einem außerhalb der Hydraulikvorlage befindlichen Vorrat 24 von Hydraulikflüssig­ keit freigibt, so daß Hydraulikflüssigkeit in die Hydrau­ likvorlage nachströmen kann.

25 ist eine im Hydraulikkolben 11 angeordnete, von außen zu betätigende Stange, mit der der Schließkörper 22 des Ventils 21 durch Niederdrücken geöffnet werden kann. Wenn die Stange 25 nicht niedergedrückt wird, wird sie durch eine Feder 26 in einer Position gehalten, bei der sich das Ventil 21 schließen kann. Die Feder 26 stützt sich z. B. nach unten im Kolben und nach oben an einem Bund 27 der Stange ab.

Bei Drehung des Exzenters 19 aus der in Fig. 1 gezeichneten Stellung heraus beginnt der abwärtsgerichtete Druckhub des Kolbens 11. Zu Beginn des Druckhubes bewegt dabei der Kolben 11 über den anliegenden Zapfen 14 den Balg 13. Weil der wirksame Querschnitt des Kolbens A 1 größer als der Querschnitt des Kolbens A 2 ist, wird vom Kolben 11 mehr Hydraulikflüs­ sigkeit verdrängt als bei gleicher Hubgeschwindigkeit vom Balg 13 aufgenommen werden kann. Dadurch entsteht in der Hydraulikvorlage 20 ein Überdruck, der eine Strömung von Hydraulikflüssigkeit zum Vorrat 24 zur Folge hat. Durch die Strömung wird der Schließkörper 22 in seinen Sitz gedrückt und das Ventil 21 somit geschlossen. Nach Schließen des Ventils wird die vom Kolben 11 verdrängte Hydraulikflüs­ sigkeit in den Balg 13 gedrückt, der sich daraufhin axial dehnt und dessen Balgboden 17 sich dann wegen des kleineren wirksamen Querschnitts A 2 schneller abwärts bewegt als der Kolben 11. Die Kraftübertragung vom Kolben 11 auf den Balg 13 erfolgt nun durch die zwischen Kolben und Balg 13 einge­ schlossene Hydraulikflüssigkeit und der mit dem Balg ver­ bundene Zapfen 14 trennt sich vom Kolben 11. In der unteren Umkehrlage nehmen Kolben 11 und Balg 14 die in Fig. 2 ge­ zeichnete Stellung ein. Aus der Förderkammer 23 wird während des Druckhubes Fördermedium verdrängt.

Bei Weiterdrehung des Exzenters 19 beginnt der aufwärtsge­ richtete Saughub. Kolben 11 und Balg 13 werden dabei nicht vom Antriebsmechanismus 19 in die obere Umkehrlage gezogen. Die Rückführung von Balg 13 und Kolben 11 erfolgt vielmehr durch die Kraft der Feder 15 bzw. 15 a, die über den Zapfen 14 bzw. direkt auf den Balgboden 17 wirkt. Durch die Über­ tragung der aufwärtsgerichteten Kraft vom Balg 13 über die Hydraulikflüssigkeit 20 auf den Kolben 11 bleibt wegen des dabei in der Hydraulikflüssigkeit 20 entstehenden Druckes das Ventil 21 geschlossen. Bei der Verkürzung des Balges, bei der Fördermedium in die Förderkammer 23 nachgesaugt wird, wird deshalb die Verdrängung des Balges über die eingeschlos­ sene Hydraulikflüssigkeit 20 an den Kolben 11 weitergegeben, der sich als Folge davon ebenfalls in Richtung obere Umkehr­ lage bewegt.

Der Balgboden 17 mit dem Zapfen 14 bewegt sich dabei ent­ sprechend dem Querschnittsverhältnis A 1 zu A 2 schneller in die obere Umkehrlage als der Kolben 11. Wenn sich die Flüs­ sigkeitsmenge in der Hydraulikvorlage 20 nicht verändert hat, legt sich der Zapfen exakt bei Erreichen der oberen Umkehrlage von Balg und Kolben wieder an letzteren an.

Verringert sich während des Druckhubes und während des an­ schließenden Saughubes, bei der in der Hydraulikvorlage 20 ja ebenfalls Überdruck herrscht, die Flüssigkeitsmenge in 20 infolge von Leckagen, dann erfolgt der Aufwärtshub des Kolbens 11 mit geringerer Geschwindigkeit als sie dem Querschnittsverhältnis A 1 zu A 2 und der Geschwindigkeit des Balgbodens 17 entspricht. Der Zapfen 14 kommt dann bereits vor Erreichen der oberen Umkehrlage am Kolben 11 zur Anlage. Den weiteren Weg bis in die obere Umkehrlage setzten Balg­ boden 17 und Kolben 11 mit gleicher Geschwindigkeit fort.

Dabei verschiebt der Kolben wegen seines größeren Querschnitts mehr Volumen als der mit gleicher Geschwindigkeit folgende Balg. Als Folge davon tritt in der Hydraulikvorlage ein dem Produkt aus Querschnittsunterschied und Resthub entprechender Bedarf an Hydraulikflüssigkeit auf. In der Hydraulikvorlage 20 entsteht Unterdruck, worauf sich das Ventil 21 öffnet und entsprechend der Weiterbewegung von Kolben 11 und Balg 13 bis in die obere Umkehrlage Hydraulikflüssigkeit einströmt. Nach Erreichen der oberen Umkehrlage beginnt der Druckhub wie bereits beschrieben.

Ist der Saugwiderstand im Fördermedium zu groß, bzw. ist die Kraft von Feder 15 bzw. 15 a zu klein, bleiben Balg 13 und Kolben 11 hinter der Aufwärtsbewegung des Antriebsexzen­ ters 19 zurück. Als Folge davon hebt der Exzenter vom Kolben 11 ab. Zugkräfte zwischen Antreibsmechanismus und Kolben werden also während des Saughubes auch bei zu großem Saug­ widerstand vermieden. Es kann somit in der Hydraulikvorlage kein Unterdruck infolge von vom Antriebsmechanismus aus­ gehenden Kräften entstehen, der zum Öffnen des Ventils und zum Nachsaugen von Hydraulikflüssigkeit führen könnte.

Beim Zusammenbau der Pumpe wird der Kolben 11 in das Gehäuse 12 eingeführt, nachdem bereits Hydraulikflüssigkeit einge­ füllt ist. Um den Kolben 11 von oben her bis zur oberen Umkehrlage einzuführen und dabei überschüssige Hydraulik­ flüssigkeit aus der Hydraulikvorlage 20 verdrängen zu können, wird die Stange 25 manuell mit einem Werkzeug entgegen der Kraft der Feder 26 soweit in den Kolben 11 hineingedrückt, daß der Schließkörper 22 von seinem Sitz abgehoben und das Ventil 21 somit entgegen der Strömungsrichtung der aus der Hydraulikvorlage verdrängten Hvdraulikflüssigkeit offen gehalten wird.

Claims (6)

1. Verdrängerpumpe, bei der während des Druckhubes die Ver­ drängung eines mechanisch angetriebenen, in einem Zylinder verschiebbaren Kolbens hydraulisch mit Hilfe einer Flüs­ sigkeit auf einen flexiblen, hermetisch dicht eingespann­ ten Verdränger übertragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführung des als Federbalg ausgebildeten flexib­ len Verdrängers (13) und des einen größeren wirksamen Querschnitt (A 1) als der wirksame Querschnitt (A 2) des Verdrängers aufweisenden Hydraulikkolbens (11) beim Saughub in die obere Umkehrlage allein durch eine am Verdränger angreifende Kraft erfolgt.

2. Verdrängerpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beim Saughub am Verdränger (13) angreifende Rückstellkraft eine Druckfeder (15, 15 a) ist.

3. Verdränger nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydraulikkolben (11) mit einem seine obere Um­ kehrlage begrenzenden gegen einen Anschlag am Gehäuse (12) zur Anlage kommenden Bund (18) versehen ist.

4. Verdrängerpumpe nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der flexible Verdränger (13) einen in der oberen Umkehrlage am Hydraulikkolben (11) zur Anlage kommenden Anschlagzapfen (14) aufweist.

5. Verdrängerpumpe nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Flüssigkeitsraum (20) zwischen dem Hydraulikkolben (11) , dem Gehäuse (12) und dem Innen­ raum des Verdrängers (13) über ein vom Druck im Flüssig­ keitsraum (20) gesteuertes Ventil (21, 22) mit einem Flüssigkeitsvorrat (24) verbunden ist.

6. Verdrängerpumpe nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Hydraulikkolben (11) ein Mechanismus (25, 26, 27) zum Öffnen des Ventils (21, 22) von Hand angeordnet ist.